並列タイトル等核融合炉固体増殖ブランケット用セラミックス材料に関する研究
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SiC/SiC複合材料は優れた耐高温・高強度特性や低放射化特性を有しており、将来の核融合システムのブランケット第一壁などの構造材料への適用に向けた研究が進められている。ブランケットには核融合反応の燃料として利用されるトリチウムを生産するためのトリチウム増殖材が収納されるが、この増殖材にはリチウム系セラミックス材料の活用が検討されている。これらセラミックス材料を活用した先進ブランケットによる核融合炉システムは、高温運転による高いエネルギー効率が期待される。本論文は核融合システムを安定・効率的に実現可能である固体増殖ブランケットシステム設計を基盤に、セラミック材料の適用を向けた材料の製造及び特性評価の研究を行った。 本論文は全7章で構成されており、第1章に序論を述べ、第2章において文献検索によりSiC/SiC複合材料、リチウム系セラミックス増殖材、及びに核融合エネルギーに関する研究の背景を述べる。 第3章はSiC/SiC複合材料の繊維強化構造と機械的特性の相互作用の検討を行った。SiC/SiC複合材料の機械的特性は繊維強化 構造により差が生じる。複合材料の二次元強化構造でもCross-Ply構造とWoven構造が考えられ、これらの試験片のダブルノッチせん断試験を用いた研究から、複合材料においてSiC繊維束の交点が 破壊と変形に大きな抵抗力を有することを見出した。第4章はSiC/SiC複合材料の酸化挙動の検討を行った。マトリックス/繊維の間に存在する炭素界面は高温環境下では酸化して材料の機械的特性を悪化されるが、SiCコーティングにより酸化を抑制可能なことを示した。 第5章はセラミックス増殖材として期待されるLi2TiO3の成型プロセス研究を行ない、スラリー滴下方法の改善することで直径1mm球状のLi2TiO3を成型し、微細組織観察からトリチウムの効率的な増殖に適すると考えられる5～10μmの結晶粒径の均一な微細構造を有することが示された。このときスラリー中の有機バインダ ーから混入する炭素は、He+1%H2の雰囲気で焼結を行うと焼結体の変色の原因となると考えられ、焼結前に600℃で20時間以上の熱分解処理を必要とする。第6章は実際環境を考慮して増殖材の焼結及びクリープ挙動から適切な運転条件を提示した。第7章は構造材とLi2TiO3増殖材との共存性の検討を行った。共存性実験から構造材に現れ る酸化挙動と双方向のイオン拡散挙動を予測して、構造材と増殖材の健全性及び運 転条件を提案した。
Ceramics are promising candidates as structure/functional materials of a solid type breeding blanket because of their high-temperature stability and low radioactivation property in neutron irradiation environments. Ceramics such as SiC/SiC composites and Li2TiO3 breeder are expected to be adopted as structure and functional materials in the fusion systems. In this study, operating conditions and integrity of materials are discussed based on the evaluated characteristics with an improvement of the fabrication methods to apply the ceramics in the solid-breeding blanket system. Chapter 1 is an introduction, where the importance of fusion energy toward the continued growth of a sustainable society on earth is emphasized. The motivation and objective of this study are also explained. Chapter 2 presents the background of study on SiC/SiC composites, Li2TiO3 breeder, and the fusion energy by referring to the literatures. Chapter 3 cares about the mechanical properties of SiC/SiC composites with different fiber reinforced architecture. Intersections of the fiber bundles are suggested to behave as obstacles for deformation and crack propagation according to the comparison of fracture surface and load-displacement curves. Chapter 4 discusses the oxidation behavior of SiC/SiC composites. The weight change of the composites was confirmed at 600℃ in oxidizing environment. Because the carbon exists at the matrix/fiber interface in SiC/SiC composites, the degradation of mechanical properties is considered to be caused by the oxidation of carbon. The SiC coating for the composites is suggested to be necessary as an oxidation barrier. Chapter 5 describes the improvement of a slurry droplet wetting method for Li2TiO3 breeder to obtain good physical properties. The fabricated Li2TiO3 pebbles were satisfied the properties such as spherical shape with 1mm diameter, suitable grain boundaries(5~10um), and a homogeneous microstructure. The carbon exists in the Li2TiO3 breeder because the organic binder is added to the slurry for the shaping. Because the residual carbon is expected to cause the discoloration of the sintered body during the sintering in the He + 1%H2 atmosphere, the pebbles need to be thermally treated at 600℃ for 20h before the sintering process. Chapter 6 proposes optimal operation conditions of the Li2TiO3 pebble bed based on the sintering and creep behavior during the operation. Chapter 7 discusses the compatibility between SiC/SiC composites and Li2TiO3 tritium breeding materials. The optimal operation conditions of the blanket made by SiC/SiC composites and Li2TiO3 breeders are suggested. \n
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受理日（W3CDTF）2021-07-05T22:24:43+09:00
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